多细胞性依赖单个细胞在发育过程中重组为复杂有机体的能力，但细胞如何在高度精确的条件下建立并维持“个体性”，长期以来仍缺乏清晰机制。德累斯顿工业大学（TUD）生命物理卓越集群（PoL）Jan Brugués团队在《自然》发表研究，提出胚胎早期细胞质划分与隔间形成可由一种“本质上不稳定”的物理过程驱动，并指出不同物种在进化中形成了各自的应对策略。

研究聚焦胚胎早期发育阶段：胚胎需要在快速且高度同步的细胞周期中不断分裂，同时将细胞质以协调方式划分为多个隔间，以便形成多个相对独立的单元。Brugués团队此前在斑马鱼细胞分裂研究中强调，细胞质材料性质的变化可与细胞骨架协同，帮助早期细胞分裂推进。此次工作进一步提出关键问题：在缺乏细胞膜等明确物理边界的情况下，细胞质如何在分裂前实现稳健的自我组织。

研究人员将微管视为这一过程的核心要素。微管是细胞内部骨架的丝状结构，可组装成星状结构“星体”，并在细胞内部扩散以参与细胞质的空间划分。尽管细胞质划分现象在一个多世纪前已被描述，但隔间如何形成以及其动态行为机制仍未被充分解释。

为解析机制，团队使用非洲爪蟾（Xenopus laevis）蛙卵细胞质提取物开展实验，并结合活体胚胎观察与理论建模。研究显示，即便在没有细胞膜的条件下，蛙卵提取物也能自发将细胞质组织成多个隔间，并在多个细胞周期内发生分裂。研究人员据此认为，细胞质划分可作为一个独立于细胞分裂本身的关键过程存在。

在对大型脊椎动物胚胎的分析中，研究团队指出细胞质隔间形成过程“本质上不稳定”。他们发现，微管星体不仅会独立生长，还会相互作用，部分情况下甚至相互侵入，导致隔间融合而非保持分离。Brugués表示，从物理角度看，这种不稳定性本应破坏胚胎组织，但发育仍能表现出显著稳健性，意味着胚胎需要发展出克服不稳定性的策略。

研究进一步比较了不同物种的应对方式。团队选取胚胎大小相近但星体结构不同的斑马鱼与果蝇进行对照，并结合蛙卵提取物体系观察发现：在蛙卵提取物和斑马鱼胚胎中，较大的星体对应的细胞分裂时机与不稳定性发生的时间尺度呈现精确匹配。研究人员称，分裂速度足够快，使星体能够在胚胎内部扩散而不发生融合，从而维持组织结构。论文第一作者兼共同通讯作者Melissa Rinaldin表示，这种紧密匹配反映了细胞机械装置在“大胚胎尺寸”与“快速细胞周期”等极端条件下的高度优化。

与之相对，研究指出果蝇等物种的新微管星体生成速率较低，形成的星体更小且更稳定，并在多个细胞分裂过程中逐步填充细胞质。Brugués表示，研究结果显示，即便是微管成核或生长等物理参数的细微变化，也可能解释不同物种胚胎发育模式的差异。团队认为，这些由星体结构细微差异引发的细胞结构变化，反映了微管行为调控的不同；微管成核的调控可能作为一种进化“调节器”，使胚胎在早期发育中探索不同的模式形成方案。

研究人员表示，通过识别支配细胞质组织的简单物理规律，该研究为理解生命树上早期胚胎模式的形成提供了新的框架。研究还指出，不同物种中物理不稳定性与细胞周期之间的紧密调控关系，提示活体系统可能存在实现高效空间组织的普遍策略。论文同时提到，负责细胞质自组织的微管动力学变化，或与健康组织形成相关，并可能为癌症等疾病研究提供线索。